配合間隙對渦輪增壓器運動性能的影響

徐素穎

【摘要】葉輪與殼體之間的安裝配合間隙直接影響渦輪增壓器特性。按裝配合尺寸鏈?zhǔn)窃O(shè)計與分析工件尺寸的依據(jù)。減小葉輪與殼體的安裝配合間隙可以提高增壓效果。小慣量葉輪是有利增加葉輪的轉(zhuǎn)動速度以及葉輪轉(zhuǎn)動平穩(wěn)性要求。安裝小慣量葉輪的渦輪增壓器的特點是體積小，增壓性能高。

【關(guān)鍵詞】葉輪軸結(jié)構(gòu)

葉輪

配合間隙

運動性能

1介紹

廢氣渦輪增壓器作為一種節(jié)能、環(huán)保、增效的發(fā)動機(jī)的輔助進(jìn)氣裝置已經(jīng)受到了極大的重視。渦輪增壓器在各類發(fā)動機(jī)上的的應(yīng)用都得到了顯著的效果。渦輪增壓器的應(yīng)用實踐表明，發(fā)動機(jī)安裝了渦輪增壓器之后不僅可以提高發(fā)動機(jī)的功率和機(jī)械效率，同時可降低發(fā)動機(jī)排放的尾氣的濃度，提高燃油的燃燒率。

廢氣渦輪增壓器的是利用發(fā)動機(jī)排放的尾氣作為其動力源，不附加任何其他能源。其特點是葉輪軸和葉輪的高轉(zhuǎn)速。改變和控制渦輪增壓器的動力輸入是進(jìn)一步提高渦輪增壓器性能與適應(yīng)性的有效途徑。

2渦輪增壓器葉輪軸的結(jié)構(gòu)與分析

在渦輪增壓器葉輪軸的裝配圖中，廢氣中的葉輪作為主動葉輪。它與渦輪機(jī)殼體組成廢氣機(jī)工作單元。是用耐熱合金鑄造成型。成型后的葉輪只對其葉片的外輪廓進(jìn)行加工。葉輪軸的加工是在葉輪與軸焊接之后進(jìn)行。因此葉輪的加工精度及其與軸的同軸度加工對焊接和后續(xù)的精加工都會產(chǎn)生影響。

葉輪軸是按照柔性軸的工作條件設(shè)計。軸的工作轉(zhuǎn)速應(yīng)大于而且不接近于第一階臨界轉(zhuǎn)速。一般取軸的轉(zhuǎn)速大于1.4倍的第一階臨界轉(zhuǎn)速小于0.7倍的第二階臨界轉(zhuǎn)速。在柔性軸的啟動過程中，轉(zhuǎn)速從0.8到1.4倍的第一階臨界轉(zhuǎn)速時。由于過渡時間短，所以軸在瞬間發(fā)生共振后即趨于平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。此時軸材料自身的阻尼特性對于消除瞬間共振的不利影響方面起著很大的作用。

葉輪軸包括葉輪與軸兩個部分。從葉輪大端起始軸的直徑逐級減小。軸的最大直徑在焊接接口處。最小直徑在壓氣機(jī)葉輪安裝處。軸的中間段是軸承安裝段。軸的最小直徑與中間段直徑相差較大。軸斷裂容易發(fā)生在這一過渡處。應(yīng)采取措施減小應(yīng)力集中。對于變截面控制輸入動力的增壓器。要注意在調(diào)節(jié)輸入進(jìn)氣時不要讓軸轉(zhuǎn)速在共振區(qū)中停留時間過長。

3葉輪軸裝配間隙分析

渦輪增壓器存在著兩個相互分離的裝配關(guān)系。一個是軸上零件的裝配尺寸關(guān)系。一個是機(jī)體殼體間的裝配尺寸關(guān)系。兩個裝配尺寸是相互關(guān)聯(lián)。形成的軸向尺寸決定了葉輪與殼體的間隙。軸承的徑向間隙決定葉輪轉(zhuǎn)動的平穩(wěn)性。

葉輪與殼體的間隙是決定渦輪增壓器效率的主要因素。同時影響著渦輪增壓器的性能。軸承的間隙決定著葉輪轉(zhuǎn)動平穩(wěn)性。圖2所示是渦輪增壓器的裝配圖。軸是由兩個徑向滑動和一個推力軸承支承。這兩類軸承都是安裝在中間殼體上。與中間體的連接只有一個止推軸承的固定支承底板，限定葉輪軸向尺寸與中間體的位置，同時可以確定廢氣機(jī)葉輪的位置。廢氣機(jī)殼體與中間體安裝后就確定了葉輪與殼體的配合間隙。

壓氣機(jī)葉輪與殼體的配合間隙的裝配確定。這一方向的零件安裝在軸的另一端。零件是軸端密封環(huán)和葉輪。影響葉輪與殼體間的配合間隙是止推軸承的軸向尺寸和密封環(huán)的尺寸、葉輪加工尺寸和形狀精度。

渦輪機(jī)殼體和葉輪軸的安裝裝配尺寸鏈。如圖3所示。渦輪增壓器的零件是由各個零件生產(chǎn)廠家提供。特別是在渦輪增壓器生產(chǎn)相對集中的地區(qū)已經(jīng)形成了專業(yè)化零件的制造與生產(chǎn)。零部件的生產(chǎn)已經(jīng)形成由各個專業(yè)化制造廠制造的格局。擁有產(chǎn)品生產(chǎn)許可的整機(jī)廠不再靠整體加工的模式生產(chǎn)而是采用專業(yè)化協(xié)同的方式進(jìn)行生產(chǎn)。零件的加工質(zhì)量完全可以達(dá)到完全互換裝配法的要求。

壓器的兩個葉輪組成的裝配尺寸關(guān)系分析。葉輪裝配后與殼體的配合間隙是基本要求。根據(jù)葉輪軸的軸向定位分析。兩個葉輪的裝配尺寸鏈可以分開討論。圖3（a）是壓氣機(jī)端的裝配尺寸鏈。圖3（b）廢氣機(jī)端的裝配尺寸鏈。通過裝配尺寸鏈可以看出。渦輪增壓器葉輪與殼體的裝配關(guān)系是簡單。參與的工件數(shù)量少。理論上講裝配尺寸是容易控制。減小葉輪與殼體問的配合間隙有利于提高渦輪增壓器性能。

4葉輪與殼體的配合間隙的確定和葉輪形狀的改進(jìn)

葉輪與殼體的配合間隙選擇一直控制在比較大的數(shù)值范圍內(nèi)。配合間隙值的選取是以不與相配合的殼體碰撞為前提。由裝配尺寸的關(guān)系可以計算出裝配后葉輪與殼體配合的上下偏差值。設(shè)計殼體加工時的最小尺寸大于與葉輪配合尺寸的上偏差。就可以保證在葉輪的轉(zhuǎn)動過程中不與殼體接觸。葉輪小端可以控制間隙是原來間隙值的1/4。即葉輪小端輪廓與殼體的間隙保持在O.05-0.1mm。葉輪的大端是位于殼體內(nèi)部。從葉輪的工作圖樣可以將葉輪小端面輪廓加工成與殼體具有相同要求的形狀?？刂七@一段的配合間隙就能達(dá)到進(jìn)氣的要求。葉輪大端的輪廓與殼體的間隙應(yīng)采用大間隙。以利于渦輪增壓器吸人氣體的送出。采用減小葉輪直徑和減小輪轂質(zhì)量的設(shè)計方法。采用小慣量葉輪、減小葉輪的轉(zhuǎn)動阻力。小慣量葉輪的轉(zhuǎn)動慣量小動平衡的敏感系數(shù)小。因此小慣量葉輪可以用提高葉輪轉(zhuǎn)速的方法來提高增壓器的性能。

5結(jié)論

廢氣渦輪增壓器葉輪軸的結(jié)構(gòu)直接影響了軸的支承、軸上零件的安裝和裝配間隙。葉輪輪廓與殼體的配合間隙的適當(dāng)減小可以減小葉輪的直徑。達(dá)到減小葉輪慣量的目的。渦輪增壓器中的廢氣機(jī)和壓氣機(jī)葉輪與殼體的安裝間隙可以通過零件的加工要求得到有效的降低。葉輪的裝配尺寸鏈通過中間殼體上的止推軸承確定了各自的裝配關(guān)系。簡化的裝配尺寸鏈中相互聯(lián)系的尺寸關(guān)系明晰。計算結(jié)果表明葉輪與殼體的間隙可以減小。在減小葉輪與殼體間隙的狀態(tài)下?？梢酝ㄟ^減小葉輪小端面與殼體的間隙。提高渦輪增壓器的工作效率。